Identification and modeling of ground instabilities by geophysical methods and python-based toolscase of the city of Fez (Morocco) and the Sierra de Gador (Spain)

Abstract

The proposed thesis aims to solve problems related to the detection and localization of unstable areas in urban zones (Tghat Fes, Sefrou, Bhalil in Morocco, and the Sierra de Gádor area in Spain), in particular for cavity monitoring, landslides and karst forms. The detailed geological study of the four zones made it possible to locate the main sectors most susceptible to the risk of instability, based on the lithology and on surface indicators. The indices in the region of Tghat are forms of surface cracking, while the sites of Bhalil and Sefrou represent the presence of cavities of anthropic or natural origin due to the phenomenon of karstification, and the presence of doline of karstic origin. in the site of Sierra de Gádor. In this report, different geophysical methods were used for the detection and monitoring of cavities, landslides, and karst forms in urban areas. These methods include ERT (electrical tomography), VES (vertical electrical sounding), GPR (ground penetrating radar) and SRT (seismic refractive tomography). The results of the geophysical methods were presented in the form of 1D, 2D and 3D resistivity sections, radargrams and tomograms, providing detailed information on the variation of physical properties of underground structures. The processing and interpretation of the data made it possible to determine the spatial variations and to highlight several areas which can be considered as high-risk areas, in particular related to landslide risk in the Tghat area with the location of several anomalies correlated with the presence of cavities within marly formations. Electrical techniques have made it possible to locate cavities of karstic origin as well as zones of fracturing and prolonged fissuring within carbonate formations at Sefrou site. Thus, at the Bhalil site, the GPR proved to be very effective in detecting abandoned anthropic cavities within the old medina. Finally, electrical tomography combined with seismic refraction has proven to be an effective method for detecting forms of subsidence related to the presence of sinkholes in the Sierra de Gádor region. Furthermore, the use of Python for modeling is combined with geological survey and geophysical methods to detect and monitor unstable areas in urban environments. This direct modeling approach is used to simulate subsurface conditions at study sites using open-source software such as pyGIMLi and pyBERT. Through this simulation, it is possible to predict the response of different geophysical techniques to specific site conditions. Thus, it is possible to select the most appropriate techniques for the specific site conditions and to optimize the survey design as well as the data acquisition parameters for future campaigns. By integrating direct modeling with geophysical methods, the objective of this thesis is to improve the accuracy, efficiency, and flexibility of subsurface imagery for the detection and monitoring of cavities, landslides and landforms. karst in urban areas. [FRE] La thèse proposée vise à résoudre les problèmes liés à la détection et à la localisation de zones instables en milieu urbain (Tghat Fès, Sefrou, Bhalil au Maroc, et la zone de Sierra de Gádor en Espagne), notamment pour la surveillance des cavités, des glissements de terrain et des formes karstiques. L'étude géologique détaillée des quatre zones a permis de localiser les principaux secteurs les plus susceptibles au risque d'instabilité en se basant sur la lithologie et sur des indices de surface. Les indices dans la région de Tghat sont des formes de fissuration de surface, tandis que les sites de Bhalil et Sefrou représentent la présence de cavités d'origine anthropique ou naturelle en raison du phénomène de karstification, et la présence de dolines d’origine karstique dans le site de Sierra de Gádor. Dans ce rapport, différentes méthodes géophysiques ont été utilisées pour la détection et la surveillance des cavités, des glissements de terrain et des formes karstiques dans les zones urbaines. Ces méthodes comprennent l'ERT (tomographie électrique), le VES (sondage électrique vertical), le GPR (radar à pénétration de sol) et le SRT (tomographie sismique à réfraction). Les résultats des méthodes géophysiques ont été présentés sous forme de sections de résistivité 1D, 2D et 3D, de radargrammes et de tomogrammes, fournissant des informations détaillées sur la variation des propriétés physiques des structures souterraines. Le traitement et l'interprétation des données ont permis de déterminer les variations spatiales et de souligner plusieurs zones qui peuvent être considérées comme des zones à haut risque, notamment pour le danger de glissement dans la zone de Tghat avec la localisation de plusieurs anomalies corrélées avec la présence de cavités au sein de formations marneuses. Les techniques électriques ont permis de localiser des cavités d'origine karstique ainsi que des zones de fracturation et de fissuration prolongées au sein de formations carbonatées à Sefrou. Au site de Bhalil, le GPR s'est révélé très efficace pour la détection de cavités anthropiques abandonnées au sein de l'ancienne médina. Enfin, la tomographie électrique combinée à la sismique à réfraction s'est avérée être une méthode efficace pour détecter des formes de subsidence liées à la présence de dolines dans la région de Sierra de Gádor.En outre, l'utilisation de Python pour la modélisation est combinée avec l'étude géologique et les méthodes géophysiques afin de détecter et surveiller les zones instables dans les environnements urbains. Cette approche directe de modélisation est utilisée pour simuler les conditions du sous-sol des sites d'étude à l'aide de logiciels open source tels que pyGIMLi et pyBERT. Grâce à cette simulation, il est possible de prédire la réponse de différentes techniques géophysiques aux conditions spécifiques du site, permettant ainsi de sélectionner les techniques les plus appropriées pour les conditions spécifiques du site et d'optimiser la conception du levé ainsi que les paramètres d'acquisition de données pour les futures campagnes. En intégrant la modélisation directe avec les méthodes géophysiques, l'objectif de cette thèse est d'améliorer la précision, l'efficacité et la flexibilité de l'imagerie souterraine pour la détection et la surveillance des cavités, des glissements de terrain et des formes karstiques dans les zones urbaines.